DE4229202A1 - Vorrichtung für eine stufenlose Winkelverstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine stufenlose Winkelver­ stellung zwischen einem angetriebenen Element, vorzugsweise Nockenwel­ lenrad, und einer zu diesem gleichachsigen anzutreibenden Welle, vor­ zugsweise Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung ein drehfest mit der Nockenwelle verbundenes Innenelement aufweist, in dem Hydraulikzylinder mit darin längsverschieblichen, einseitig druck­ beaufschlagbaren Kolben angeordnet sind, während das ringförmige Nockenwellenrad an Abschnitten seines Innenumfangs am Außenumfang des Innenelements geführt ist und Mitnehmerelemente aufweist, und wobei erste und zweite Gruppen von Kolben jeweils derart mit den Mitnehmer­ elementen zusammenwirken, daß das Innenelement gemeinsam mit der Nockenwelle in beiden Drehrichtungen gegenüber dem Nockenwellenrad verdrehbar ist.

Eine Vorrichtung der vorgenannten Gattung ist aus der EP-A-01 63 046 bekannt. Im Innenelement dieser Vorrichtung sind danach zwei einander diametral gegenüberliegende Kolben-Zylindereinheiten vorgesehen, die jeweils über eine Kugel auf Mitnehmerelemente, die am Nockenwellenrad ausgebildet sind, einwirken. Die Kolben-Zylindereinheiten sind dabei radial nach außen gerichtet. Die Mitnehmerelemente sind dadurch un­ mittelbar am Innenumfang des ringförmigen Nockenwellenrades ausgebil­ det, das an den den Kolben-Zylindereinheiten gegenüberliegenden Ab­ schnitten der Innendurchmesser des Nockenwellenrades durch eine schie­ fe Ebene reduziert ist. Aufgrund einer gegenläufigen Anordnung dieser schiefen Ebenen erzeugen die an den beiden Kolben-Zylindereinheiten anliegenden Kugeln tangential verlaufende Reaktionskräfte am Mitneh­ merelement bzw. am Nockenwellenrad, so daß bei einer Druckbeaufschla­ gung der einen Kolben-Zylindereinheit das Innenelement in der einen und bei einer Beaufschlagung der anderen Kolben-Zylindereinheit das Innenelement in der anderen Drehrichtung gegenüber dem Nockenwellenrad verdreht wird.

Da eine Bewegung der beiden Kolben in radialer Richtung des Nockenwel­ lenrades in eine Drehbewegung umgesetzt werden muß, tritt das Problem auf, daß die schiefe Ebene für die Verstellvorgänge optimal auszulegen ist. Wählt man beispielsweise eine schiefe Ebene, die relativ flach zur Längsmittelachse der Kolben-Zylindereinheit verläuft, so ist eine hohe Verstellkraft und folglich ein hoher Arbeitsdruck am Kolben erforderlich. Wählt man einen relativ steilen Verlauf der schiefen Ebene, so sind zwar die Verstellkräfte am Kolben reduziert, das Innen­ element wird jedoch als Folge des Gesamthubs des Kolbens nur um einen geringen Winkel gegenüber dem Nockenwellenrad verschwenkt. Im übrigen tritt bei einem steilen Verlauf der schiefen Ebene aber auch noch das Problem auf, daß bei einer Rückstellbewegung der jeweiligen Kolben- Zylindereinheit die Kugel zum Klemmen zwischen der schiefen Ebene und dem zylindrischen Führungsabschnitt des Innenelements neigt. Bei dieser Rückstellbewegung des Kolbens im Zylinder, die zu einer Ver­ drehung des Innenelements gegenüber dem Nockenwellenrad im entgegen­ gesetzten Drehsinn führt, soll nämlich Druckmittel aus diesem Zylinder der anderen Kolben-Zylindereinheit zugeführt werden. Weiterhin ist von Nachteil, daß aufgrund der hohen Querkräfte starker Verschleiß an der schiefen Ebene und im zylindrischen Führungsabschnitt für die Kugel auftritt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und folglich eine Vorrichtung für eine stufenlose Winkel­ verstellung zwischen einem angetriebenen Element und einer zu diesem gleichachsigen anzutreibenden Welle zu schaffen, bei der mit geringen Kräften und demzufolge geringen Drücken eine Verstellung über einen ausreichenden Verstellbereich möglich ist.

Diese Aufgabe wird an einer Vorrichtung der im Oberbegriff des An­ spruchs 1 angegebenen Gattung nach dem kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 dadurch gelöst, daß die Kolben auf einem sehnenartigen Verlauf zum ringförmigen Nockenwellenrad angeordnet sind und daß die Mitnehmerelemente, ausgehend vom Innenumfang des Nockenwellenrades, radial nach innen in Ausnehmungen des Innenelements hineinragen und gekrümmt ausgebildete Abstützflächen aufweisen, an denen die den Druckräumen gegenüberliegenden Stirnflächen der Kolben geführt sind. Aufgrund des sehnenartigen Verlaufs der Kolben-Zylindereinheiten zum Nockenwellenrad kann die Betätigungskraft unmittelbar in die Mitneh­ merelemente eingeleitet werden. Es ergeben sich vom Kräfteverlauf her optimale Verhältnisse, und Übertragungselemente zwischen den Kolben und den Mitnehmerelementen sind nicht erforderlich.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprü­ chen 2 bis 21 beschrieben.

Gemäß Anspruch 2 sollen die Abstützflächen einen Krümmungsverlauf aufweisen, dessen Krümmungsmittelpunkt in jeder Stellung der Kolben im Bereich einer zugehörigen Kolbenachse liegt. Es treten folglich gerin­ ge Querkräfte an den Kolben bzw. den Zylindern auf, da die Enden der Kolben an den Abstützflächen eine definierte Schubbewegung bei der Verdrehung des Innenelements gegenüber dem Nockenwellenrad ausführen.

Weiterhin sollen gemäß Anspruch 3 jeweils zwei Kolben paarweise in einem räumlich von zwei Mitnehmern eingeschlossenen radialen Fortsatz des Innenelements in axialer Richtung der Vorrichtung zueinander versetzt, angeordnet sein. Dadurch können auf relativ kleinem Raum viele Kolben-Zylindereinheiten untergebracht werden, so daß einerseits eine Verteilung der Verstellkräfte am Umfang der Vorrichtung möglich ist und andererseits das Risiko einer Umwucht in der Vorrichtung minimiert werden kann. Außerdem wird durch die in Achsrichtung der Vorrichtung hintereinanderliegenden Kolben-Zylindereinheiten die Möglichkeit geschaffen, die Mitnehmerelemente symmetrisch auszubilden.

In Zusammenhang mit den Merkmalen des Anspruchs 3 ist nach Anspruch 4 vorgesehen, daß die Kolben in Draufsicht auf das Innenelement gesehen, in einander kreuzenden Ebenen angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise insgesamt sechs Kolben-Zylindereinheiten in dem aufgrund des Durchmessers des Nockenwellenrades vorgegebenen Bauraum anordnen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sollen nach Anspruch 4 die Kolben unmittelbar mit ihren Stirnflächen gleitend an den Abstütz­ flächen geführt sein. Es kann demzufolge auf ein weiteres Übertra­ gungselement, d. h. ein zwischen den Abstützflächen und den Kolben­ enden abwälzendes Element, welches die umlaufenden Massen vergrößern würde, verzichtet werden.

Als Stellelement für die Vorrichtung ist nach Anspruch 6 ein Schalt­ ventil mit zumindest einem Rückschlagventil vorgesehen, wobei das Schaltventil zur Erreichung unterschiedlicher Schaltpositionen in dem Innenelement axial verschiebbar ist und zumindest zwei Leitungen aufweist, über die das am Schaltventil anstehende Druckmittel in zumindest zwei Kolben-Bohrungseinheiten weiterleitbar ist.

Anstelle von immer spielbehafteten rein mechanischen Verzahnungen oder Kupplungselementen bekannter Verstellvorrichtungen sind nach der vorliegenden Erfindung wechselseitig beaufschlagte Kolben-Bohrungsein­ heiten vorgesehen, die in vorteilhafter Weise jegliches Spiel zwischen den mechanischen Bauteilen hydraulisch ausgleichen.

Die Anordnung des Stellelementes innerhalb des Innenelements bewirkt eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung, die eine unmittelbare, kostengünstige Druckmittelführung innerhalb der Verstellvorrichtung erlaubt und außerdem eine einfache Montage ermög­ licht. Zudem begünstigt die Anordnung ein schnelles Ansprechen, d. h. Reaktion der Vorrichtung auf die mit wechselnden Kraftrichtungen versehenen Umfangskräfte, mit denen die Verstellung ausgelöst wird.

Der erfindungsgemäße Aufbau stellt eine rein hydraulische Vorrichtung dar, ohne die Verwendung eines mechanischen Freilaufs. Im Gegensatz zu bisher bekannten hydraulischen Lösungen, die einen hohen Druckmittel­ durchsatz erfordern, verlangt die vorliegende Erfindung nur einen am Schaltventil anstehenden Steuerdruck, und keinen Volumenstrom, da das Druckmittel zwischen den zwei Kolben-Bohrungseinheiten wechselseitig ausgetauscht wird. Damit ergibt sich keine nachteilige Belastung der Druckumlaufschmierung der Brennkraftmaschinen aufgrund eines hohen Ölstromvolumens, der für die Betätigung der Verstellvorrichtung abge­ zweigt werden müßte. Aufgrund der wechselseitigen Druckbeaufschlagung zumindest einer Kolben-Bohrungseinheit ist ständig eine kraftschlüssi­ ge spielfreie Verbindung zwischen den beiden zu verdrehenden Wellen gegeben, wodurch sich vorteilhaft ein geräuscharmer Antrieb einstellt, der dazu verschleißarm arbeitet und eine hohe Lebensdauer sicher­ stellt.

Gemäß Anspruch 7 ist das Schaltventil als ein 4/3-Wegventil ausgebil­ det und koaxial von dem Innenelement umgeben, in der die Kolben-Boh­ rungseinheiten angeordnet sind. Das einseitig Federkraftbeaufschlagte Schaltventil ist durch eine steuerbare Kraft betätigbar, z. B. durch eingesteuerten Druck aus dem Schmierölkreislauf einer Druckumlauf­ schmierung eines Motors, mit dem das Schaltventil verschiebbar ist.

Zur genauen Positionierung ist nach Anspruch 8 ein federbelasteter Anschlag vorgesehen, der größere Steuerdruckbereiche in den drei Hauptstellungen des Schaltventils ermöglicht. Vorteilhaft weist die Mittelstellung den federbelasteten Anschlag auf.

Durch eine feinfühlig ausgelegte Regelung für die Betätigung des Schaltventils kann die Einhaltung der Mittelstellung weiter verbessert werden sowie für jede Zwischenposition das Schaltventil gehalten werden, zur Erreichung einer stufenlosen Regelung.

Nach Anspruch 9 der vorliegenden Erfindung ist das Innenelement zen­ trisch mit einer Ausnehmung für das Schaltventil versehen, dem konzen­ trisch im Kolbenträger eingebrachte Kolben-Bohrungseinheiten zugeord­ net sind. Das Innenelement ist weiterhin einseitig mit einem Endstück versehen, das auf der Nockenwelle geführt und kraftschlüssig damit verbunden ist.

Das Schaltventil weist gemäß Anspruch 10 einen Druckraum an einem Ende auf, der mit Druckmittel beaufschlagt wird und an den sich ein Zwi­ schenraum anschließt. Weiterhin ist ein Hochdruckraum dem Zwischenraum nachgeordnet. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß zwischen dem Druckraum und dem Zwischenraum sowie dem Zwischenraum und dem Hoch­ druckraum jeweils ein sich in Richtung des nachfolgenden Raumes öff­ nendes Rückschlagventil vorgesehen sind.

Nach Anspruch 11 sind im Schaltventil Leitungen vorgesehen, die eine Verbindung zwischen den zentrisch im Schaltventil angeordneten Druck­ räumen und Umlaufnuten schaffen, welche auf der Umfangsfläche radial im Schaltventil eingebracht sind und über Verbindungsbohrungen mit den Kolben-Bohrungseinheiten gekoppelt sind, die erfindungsgemäß jeweils paarweise im Innenelement angeordnet sind, wobei benachbarte Kolben­ bohrungseinheiten jeweils in eine entgegengesetzte Richtung wirken. Vorteilhaft ergibt sich durch diese Gestaltung aufgrund der Feder­ kraftbeaufschlagten Rückschlagventile und des über kurze Verbindungs­ wege übertragbaren Steuerdrucks bzw. Schaltdrucks auf die Kolben-Boh­ rungseinheiten eine vorteilhafte schnelle Verdrehung der in Antriebs­ verbindung stehenden Wellen.

Nach Anspruch 12 ermöglicht das erfindungsgemäße Schaltventil drei definierte Schaltpositionen, die sich bei drei Steuerdruckbereichen einstellen. Der erfindungsgemäße Aufbau sieht dazu federbelastete Anschläge vor, wobei durch Federkraft das Schaltventil in der Neutral­ stellung, d. h. zum Beispiel im Ruhezustand der Brennkraftmaschine, an einer Stirnfläche des Kolbenträgers anliegt. Bei Erreichen eines Steuerdrucks des Druckmittels, der größer ist als die Kraft der Druck­ feder, kommt es zu einer Axialverschiebung des Schaltventils bis an einen Anschlag, der federnd ausgelegt ist und der einen weiteren Stellweg des Schaltventils erst dann zuläßt, wenn eine weitere Erhö­ hung des Schaltdrucks erfolgt. Damit nimmt das Schaltventil drei stabile Positionen ein, bei denen klar definierte Druckverhältnisse vorherrschen.

In weiterer Ausgestaltung ist nach Anspruch 13 der Erfindung dem Schaltventil ein Steuerventil vorgeschaltet, mit dem erreichbar ist, daß der Systemdruck des Druckmittels an dem Schaltventil anliegt oder unterbrochen ist.

Gemäß Anspruch 14 ist vorgesehen, daß der Druckmittelkreislauf so ausgelegt ist, daß ausschließlich ein leckagebedingter Verlust des Druckmittel ausgeglichen wird und damit die erfindungsgemäße Vorrich­ tung nur eine Teilmenge der Druckumlaufschmierung eines Motors für eine funktionsgerechte Arbeitsweise verlangt.

Dazu soll nach Anspruch 15 durch ein Betätigen des Schaltventils ein Druckmittelaustausch von einer Kolben-Bohrungseinheit in die benach­ barte Kolben-Bohrungseinheit erfolgen oder das Druckmittel, das wäh­ rend der Stellbewegung des Schaltventils verloren geht, soll systembe­ dingt ausgeglichen werden.

Gemäß Anspruch 16 ist das Innenelement zum Nockenwellenrad radial um einen Betrag, der dem Verstellwinkel des Nockenwellenverstellers entspricht, verdrehbar. Zur Erreichung einer Verdrehbegrenzung sind das Innenelement sowie das Nockenwellenrad, in jede Drehrichtung zeigend, mit einem Anschlag und einem zugehörigen Gegenanschlag ver­ sehen. Vorteilhaft sind die Kontaktflächen aller Anschläge elastisch bzw. federnd ausgebildet bzw. mit einem geräuschdämpfenden Material versehen, um eine geräuscharme Verdrehbegrenzung zu erreichen.

Gemäß Anspruch 17 sind die Kolben der Kolben-Bohrungseinheiten mit Kolbenringen versehen, die ein zu den Bohrungen definiertes Spiel aufweisen. Damit ergibt sich eine definierte geringe Leckage, die vorteilhaft den Druckmittelkreislauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung schnell entlüftet und weitestgehend inkompressible Druckmittelsäulen bewirkt.

Die konstruktive Gestaltung nach Anspruch 18 sieht einen Gehäusedeckel vor, in dem das Innenelement gelagert ist und der weiter als Träger­ teil z. B. zur Aufnahme des Steuerventils dient und mit Steuerbohrun­ gen versehen werden kann zur Vermeidung von außenliegenden separaten Leitungen. Vorteilhaft kann so beispielsweise das über eine Bohrung im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine geleitete Schmieröl durch den Gehäusedeckel geführt werden.

Zur gezielten Druckmittelführung ist gemäß Anspruch 19 vorgesehen, neben den im Gehäusedeckel angeordneten Steuerbohrungen das Druck­ mittel über die Lagerung des Innenelements im Gehäusedeckel zu führen und von dort über Verbindungsbohrungen bzw. über Verbindungsleitungen, den Druckräumen im Schaltventil und weiteren Verbindungsbohrungen unmittelbar den Kolben-Bohrungseinheiten zuzuführen. Diese Druckmit­ telführung erfordert vorteilhaft geringe Abdichtungen und eine direkte strömungsgünstige und damit eine verlustarme Übertragung.

Nach Anspruch 20 wird das Nockenwellenrad von einer Umfangskraft mit wechselseitig positiven und negativen Kraftanteilen, d. h. Drehschwin­ gungen beaufschlagt, wobei diese Wechselwirkung Einfluß nimmt auf die Betätigung des Schaltventils. Die im Betriebszustand der Brennkraftma­ schine wirkende Umfangskraft weist einen hochdynamischen zeitlichen Verlauf auf, mit zeitlich wechselnden positiven und negativen Kraft­ anteilen.

Schließlich ist nach Anspruch 21 ein elektrisch betätigbares Schalt­ ventil vorgesehen. Dazu bietet sich ein Proportionalventil an, daß den Anforderungen für eine wirkungsvolle Nockenwellenverstellung bei hohen Nenndrehzahlen der Brennkraftmaschine gerecht wird, die eine schnelle Reaktion des hydraulischen Freilaufs auf die sich wechselnden Kraft­ richtungen der Umfangskraft erfordert. Erfindungsgemäß sieht die Erfindung Kraftsensoren im Bereich der Bohrungen der Kolben-Bohrungs­ einheiten vor, deren Signale einer Meßwertaufbereitung übertragen werden. Über ein der Meßwertaufbereitung nachgeordnetes Stellglied erfolgt die Betätigung des Schaltventils.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen mit den zugehörigen Figurenbeschreibungen verwiesen, in denen ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung weiter verdeutlicht wird. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung für eine Winkelverstellung zwischen einer angetriebenen und einer anzutreibenden Welle;

Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung, die in einem Zahn­ riemenrad eingebrachten Kolben-Bohrungseinheiten, die zwischen Profilstücken und einem Kolbenträger einge­ setzt sind;

Fig. 3 das Zusammenspiel der Ventilfedern und des Versor­ gungsdruckes, dargestellt in einem Diagramm;

Fig. 4 ein Diagramm das den Verlauf der Umfangskraftrichtung über die Zeit darlegt;

Fig. 5 das Hydraulikschema für eine Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 6 eine Variante zu dem in Fig. 5 aufgezeigten Hydrau­ likschema.

Der Aufbau einer Verstellvorrichtung 1, die an einem freien Ende stirnseitig an einer Nockenwelle 2 angeordnet ist, wird anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. Die in einem Zylinderkopf 3 gelagerte Nockenwelle 2 ist über einen zylindrischen Preßsitz 4 mit einem Endstück 5 versehen, das Bestandteil eines axial über das Ende der Nockenwelle 2 ragenden Innenelements 6 ist. Dabei ist das Innenelement 6 innerhalb der Kontur eines ringförmigen Nockenwellenrades 7 angeord­ net.

Wie die die Fig. 2 zeigt, ist das Nockenwellenrad an seinem Innenumfang 7 versehen mit mehreren radial nach innen ragenden Mitnehmerelementen 9, die jeweils zwei kreissegmentförmig gestaltete Abstützflächen 10, 11 aufweisen sowie eine Umfangsfläche 12, an der die Mitnehmerelemente 9 mit einem Innenring 13 des Nockenwellenrades 7 verbunden sind.

Die Abstützflächen 10, 11 eines jeden Mitnehmerelements 9 sind als eine Abstütz- bzw. Anlagefläche für Stirnflächen 14a, 15a von Kolben 14, 15, die eine Verbindung zwischen den Mitnehmerelementen 9 und dem dazu drehbar angeordneten Innenelement 6 herstellen, vorgesehen. Das Innen­ element 6 weist radiale Aussparungen 16 auf, in die die Profilstücke 9 ragen, die beidseitig einen Anschlag 17, 18 aufweisen und die mit jeweils einem Gegenanschlag 19, 20, angebracht am Innenelement, eine Verdrehbegrenzung bilden.

Jedem Kolben 14, 15 ist eine im Innenelement 6 angeordnete Bohrung 21, 22 zur Aufnahme und Führung des Kolbens 14, 15 zugeordnet. Ein Kolben 14, 15 und eine Bohrung 21, 22 bilden jeweils eine Kolben-Bohrungsein­ heit 66, 67. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind in jeder Aussparung 16, jeweils im radialen Fortsatz 25 des Innenelements 6 die Bohrungen 21, 22 zur Führung der Kolben 14, 15 versetzt zueinander angeordnet.

Die Kolben 14, 15 bilden mit den zugehörigen Bohrungen 21, 22 vonein­ ander getrennte Kolbenzylindereinheiten, mit denen eine Relativver­ stellung zwischen dem Innenelement 6 und dem Nockenwellenrad 7 er­ reichbar ist. Zur Druckmittelbeaufschlagung der Kolben 14, 15 dienen radial im Innenelement 6 eingebrachte Bohrungen bzw. Verbindungslei­ tungen, die von einer zentrisch angeordneten Längsbohrung 26 ausgehen. Die Verbindungsbohrung 23, 24 ist dabei so angeordnet sind, daß sie jeweils die zugehörige Bohrung 21, 22 schneidet. Weitere im Innen­ element 6 eingebrachte Querbohrungen dienen dazu, die Verbindungs­ bohrung 23 mit Verbindungsbohrungen 28 zu koppeln, die von einer Fläche 29 ausgehend im Innenelement 6 eingebracht sind. Zur wirkungs­ vollen Abdichtung aller Verbindungs- und Querbohrungen sind diese einseitig z. B. durch eine Verschlußkugel 73 verschlossen. Zur Ver­ minderung bzw. zur Erreichung einer definierten Druckmittel-Leckage zwischen dem Kolben 14, 15 und der zugehörigen Bohrung 21, 22 sind Kolbenringe 30 mit einem vorgegebenen Spiel eingesetzt.

Die Gestaltung des Innenelements 6 sieht nockenwellenseitig im Bereich des abgesetzten Endstückes 5 einen radial nach innen ragenden Kragen 63 vor, an dem eine in die Nockenwelle 2 eingesetzte Schraube 31 anliegt und das Endstück 5 des Innenelements 6 über eine Stirnfläche 32 und eine Zwischenscheibe 33 an einen Nockenwellenbund 34 anpreßt. Dabei wird das Innenelement 6 über den Preßsitz 4 zur Nockenwelle 2 zentriert. Das Endstück 5 bildet auf seiner Außenfläche zusammen mit der Zwischenscheibe 33 ein Radial-Axialgleitlager 35 mit einem zu­ gehörigen Gehäusedeckel 36, der mit dem Zylinderkopf 3 verschraubt ist und weiter in Richtung des Nockenwellenrades 7 zeigend axial und radial eine Ringschulter 38 übergreift, die Bestandteil eines Gehäuse­ deckels 39 ist. Einen radialen Abstand im Bereich der Überdeckungszone zwischen dem Gehäusedeckel 36 und der Ringschulter 38 gleicht eine Dichtung 37 aus. Das Nockenwellenrad 7 ist stirnseitig mit einem eben­ falls die Verstellvorrichtung 1 abdeckenden Abschlußdeckel 39 ver­ sehen.

Eine Druckmittelversorgung der Verstellvorrichtung 1 erfolgt über eine Bohrung 40 im Zylinderkopf 3, die korrespondiert mit einer Steuerboh­ rung 41, die im Gehäusedeckel 36 verläuft und die mit einem Steuerven­ til 42 verbunden ist. Die Steuerbohrung 41 mündet in eine Umlaufnut 43 im Endstück 5, die verbunden ist mit einer im axialer Richtung im Endstück 5 verlaufenden Verbindungsbohrung 44, welche bis zur vorderen Stirnfläche 45 des Endstückes 5 reicht, wobei über eine schräge Anfassung der vorderen Stirnfläche 45 eine unmittelbare Verbindung zu einem Druckraum 46 im Innenraum des Innenelements 6 besteht, der seitlich von einem Schaltventil 47 und dem Endstück 5 begrenzt ist. Gegenüberliegend zum Druckraum 46 liegt am Schaltventil 47 eine Druck­ feder 48 an, die sich an einem Deckel 49 abstützt, der am Kolbenträger 6 befestigt ist. Der Deckel 49 bildet gleichzeitig einen axialen Anschlag für die Stellbewegung des Schaltventils 47. Einen weiteren Anschlag für das Schaltventil 47 bildet die vordere Stirnfläche 45, gegen die die Druckfeder 48 das Schaltventil 47 drückt.

Der Deckel 49 ist weiter ein mit einer inneren axialen Führung in Form einer zweifach gestuften Anschlagbuchse 50 versehen. Diese hat einen äußeren, vorderen Anschlag und einen inneren hinteren Anschlag. Eine Ventilfeder 51, eingesetzt zwischen dem Abschlußdeckel 39 und dem inneren Anschlag der Anschlagbuchse 50, bewirkt, daß sich der äußere Anschlag am Deckel 49 abstützt.

Das Schaltventil 47 weist zentrisch, axial hintereinander angeordnet, zwei federbelastete Rückschlagventile 52, 53 auf. Dabei verschließt das Rückschlagventil 52 den Druckraum 46 gegenüber einem Zwischenraum 54 und das Rückschlagventil 53 den Zwischenraum 54 gegenüber einem Hochdruckraum 55. Das Schaltventil 47 ist mit seiner Umfangsfläche 56 in der Längsbohrung 26 des Kolbenträgers 6 geführt. Auf der Umfangs­ fläche 56 weist das Schaltventil 47 zwei Umlaufnuten 57, 58 auf, die zueinander den gleichen axialen Abstand aufweisen wie die in die Umfangsfläche 56 des Kolbenträgers 6 eingebrachten Umlaufnuten 59, 60, 61, die abhängig von der Schaltposition des Schaltventils 47 mitein­ ander korrespondieren. Durch Stichbohrungen 64, 65 besteht jeweils eine Verbindung zwischen der Umlaufnut 57 und dem Hochdruckraum 55 sowie zwischen der Umlaufnut 58 und dem Zwischenraum 54.

Die Stellung des Schaltventils 47 in Fig. 1 entspricht der Ausgangs­ position, die sich bei stillstehender Brennkraftmaschine ergibt bzw. bei einer Schaltposition des Steuerventils 42, die den Druckmittel­ strom zum Schaltventil unterbricht und damit das Schaltventil 47 durch die Kraft der Druckfeder 48 zur Anlage an das Endstück 5 verschiebt. In dieser Schaltposition stehen die im Schaltventil 47 angebrachten Umlaufnuten 57, 58 mit den im Innenelement 6 eingebrachten Umlaufnuten 60, 61 in Verbindung. Eine Mittelposition des Schaltventils 47, bei der dieses an der Anschlagbuchse 50 anliegt, ist erreichbar mit einer Beaufschlagung des Druckraumes 46 zur Erzeugung einer Stellkraft, die größer ist als die Kraft der Druckfeder 48. In dieser Mittelposition sind alle Umlaufnuten zueinander versetzt und damit verschlossen. Zur Erreichung der Endposition (XE) des Schaltventils 47, vergl. Fig. 3, muß der im Druckraum 46 eingebrachte Steuerdruck weiter erhöht werden zur zusätzlichen Überwindung der Kraft der Ventilfeder 51. Eine Stell­ wegbegrenzung erfolgt bei Anlage der Anschlagbuchse 50 am Abschluß­ deckel 39.

Die Fig. 3 verdeutlicht das Zusammenspiel der Ventilfedern 48, 51 in Verbindung mit dem Versorgungsdruck, in dem das Schaltventil 47 über den Druckraum 46 beaufschlagt wird. Bei stillstehender Brennkraftma­ schine oder geschaltetem Steuerventil 42 bricht der Druck in der Verbindungsbohrung 44 zusammen, mit der Folge, daß die Ventilfeder 48 das Schaltventil 47 an die vordere Stirnfläche 45 verschiebt in die Anfangsposition (XA). Nach erfolgtem Start der Brennkraftmaschine oder geschaltetem Steuerventil 42 werden die Verbindungsbohrungen bzw. Verbindungsleitungen zum Druckraum 46 mit Druckmittel gefüllt, ver­ bunden mit einem Druckaufbau. Bei einem Druck (P1) besteht wie in Fig. 3 dargestellt ein Gleichgewicht zwischen der Druckkraft und der Federkraft. Bei steigendem Druck wird das Schaltventil 47 axial ver­ schoben, bis es bei einem Druck (P2) an der Anschlagbuchse 50 anliegt und damit die Mittelposition (XM) einnimmt. Bei weiter steigendem Druck verharrt das Schaltventil 47 zunächst in der Mittelposition (XM), bis zur Erreichung des Drucks (P3), bei dem die Anschlagbuchse 50 vom Deckel 49 abhebt. Bei noch weiter steigendem Druck bewegt sich das Schaltventil 47 gemeinsam mit der Anschlagbuchse 50, bis diese bei einem Druck (P4) am Abschlußdeckel 39 anliegt und auch beibehält bei einer weiteren Druckerhöhung. Diese Schaltventilposition entspricht der Endposition (XE). Das Diagramm gemäß Fig. 3 verdeutlicht, daß sich in den drei Druckbereichen:

p p1; P2 P p3; p p4

drei stabile Positionen für das Schaltventil 47 ergeben.

Den dynamischen Verlauf der Umfangskraft "F" mit Drehschwingungen, also ständig wechselnden positiven und negativen Ausschlägen, verdeut­ licht Fig. 4, wobei der Kraftverlauf auf der Zeitachse aufgetragen ist.

Das Hydraulikschema der Verstellvorrichtung 1 ist der Fig. 5 zu entnehmen. Die Pumpe 62, die übereinstimmen kann mit der Schmierölpum­ pe für die Druckumlaufschmierung einer Brennkraftmaschine, fördert dabei das Druckmittel zum Steuerventil 42. In der federbelasteten Grundstellung ist der durch das Steuerventil 42 fließende Ölstrom ausreichend zur Versorgung des Gleitlagers 35 sowie zur Füllung aller Verbindungsleitungen bzw. Verbindungsbohrungen zum Schaltventil 47, einschließlich des Druckraumes. Dabei wird jedoch der Druck P1 nicht überschritten, damit das Schaltventil 47 in der Position XA verharrt. Das Gleitlager 35 wird parallel dazu noch über eine weitere Leitung versorgt, die vor dem Steuerventil 65 abzweigt. Das durch das Steuer­ ventil 42 geleitete Druckmittel bzw. Schmieröl dient gleichzeitig neben der Betätigung für das Schaltventil 47 als Versorgungsdruck für die Verstellvorrichtung 1. Das Schaltventils 47 ist so ausgelegt, daß bei einem Druck unterhalb von (P1) das Rückschlagventil 52 öffnet, damit das Druckmittel in den Hochdruckkreislauf gelangt, selbst wenn das Schaltventil 47 in Position (XA) steht. Auch das Rückschlagventil 53 öffnet bereits bei einem Druck unterhalb von (P1), damit die Um­ laufnuten 57, 58 sowie alle damit angeschlossenen Leitungen ein­ schließlich der Bohrungen 21, 22, in denen die Kolben 14, 15 geführt sind, sich mit Druckmittel auffüllen. Dabei ist der Kolbenring 30 der Kolben 14, 15 so ausgeführt, daß eine definierte geringe Leckage auftritt, und somit eine schnelle Entlüftung des Druckmittelkreislaufs gesichert ist, damit weitestgehend inkompressible Ölsäulen entstehen. Das während des Betriebes aus den Druckräumen entweichende Leckage-Öl sammelt sich im Leckageraum 68 (Fig. 1) und 68a, von wo aus das Leckage-Öl in den Ölsumpf abfließen kann.

Wirkungsweise der Verstellvorrichtung

Die während des Fahrbetriebes am Zahnriemenrad 7 wirkende Umfangskraft "F" weist einen hochdynamischen zeitlichen Verlauf auf mit zeitlich wechselnden positiven und negativen Kraftanteilen. Wirkt in der in Fig. 4 dargestellten Position des Schaltventils 47 die Kraft "F" auf den Kolben 14, so verdrängt dieser Druckmittel aus der Bohrung 21, das über Verbindungsbohrungen bzw. Verbindungsleitungen in die Bohrung 22 fließt, in dem der Kolben 15 geführt ist. Der Druckmittelfluß erfolgt dabei teilweise durch das Schaltventil 47 und das Rückschlagventil 53, wobei gleichzeitig das Rückschlagventil 52 verschlossen wird. Ver­ ringert sich die Umfangskraft "F" und unterschreitet einen Grenzwert "F1" (siehe Fig. 4) so öffnet sich das Rückschlagventil 52, wodurch Druckmittel nachströmen kann zum Ausgleich von Leckagen.

Bei einer Umkehrung der Umfangskraft "F" zur Beaufschlagung des Kol­ bens E, verschließt das aus der Bohrung 22 austretende Druckmittel das Rückschlagventil 53 und stützt damit diese Kraftamplitude ab. Am Kolben 15 auftretende Leckagen werden kompensiert durch ein Nachströ­ men des Druckmittels über das Rückschlagventil 52 in die Bohrung 21, so daß die Kolben 14, 15 mit dem Zahnriemenrad 7 in Kontakt bleiben.

Eine dynamische Umfangskraft mit positiven und negativen Kraftanteilen führt somit dazu, daß der Kolben 14 einfährt und der Kolben 15 aus­ fährt und sich damit das Innenelement 6 relativ zum Nockenwellenrad 7 verdreht.

In der Schaltventilstellung (XE) wird somit ein Kraftverlauf mit einer entgegengesetzten Relativbewegung bewirkt. Dagegen werden in der Schaltstellung (XM) die Zuleitungen zu den Kolben 14, 15 verriegelt und damit das Zahnriemenrad 7 hydraulisch eingespannt. Wegen der auftretenden Leckage an den Kolben 14, 15 kann die Stellung (XM) nur kurzfristig gehalten werden.

In den Positionen (XA) und (XE) des Schaltventils 47 verdrehen sich das Nockenwellenrad 7 und das Innenelement 6 so lange zueinander, bis einer der Anschläge 17, 18 an einem der Gegenanschläge 19, 20 anliegt. In der in Fig. 4 dargestellten Position des Schaltventils 47 fährt der Kolben 14 so weit in die Bohrung 21 ein, bis der Anschlag 17 am Gegenanschlag 19 anliegt. Wirkt die Kraft "F" in dieser Stellung auf den Kolben, dann sperrt zwar das Rückschlagventil 52, aber infolge von Leckagen kommt es dennoch zu einer Verlagerung des Kolbens 15. Zur Vermeidung einer Geräuschentwicklung und Verringerung des Verschleißes sind die Anschläge 17, 18 wie auch die Gegenanschläge 19, 20 elastisch ausgeführt. Wirkt die Kraft "F" auf den Anschlag, dann federt diese elastisch ein und der Kolben wird hydraulisch nachgeführt. Wirkt die Kraft dann wieder auf den Kolben 15, so rückt dieser infolge Leckage etwas ein, der Anschlag federt etwas aus, bleibt aber in Kontakt zum Gegenanschlag.

Das Hydraulikschema gemäß Fig. 6 ist geeignet, um bei hohen Drehzah­ len der Brennkraftmaschine verbunden mit hochfrequenten Wechselbean­ spruchungen der Kolben 14, 15 für eine angepaßte schnelle Reaktion der Verstellvorrichtung 1 zu sorgen. Um die Einflußnahme, die Reaktions­ zeiten zu verbessern, ist das Schaltventil 47a als ein Proportional­ ventil ausgelegt, das unmittelbar über eine Leitung mit der Pumpe 62 verbunden ist, die nur unterbrochen ist durch das Rückschlagventil 52a. Dabei bietet es sich an, das Schaltventil 47a unterstützt durch eine elektronische Regelung zu betätigen, bei der Sensoren 69, 70 die wechselnden Kraftrichtungen der Umfangskraft erfassen und die Signale einer Meßwerterfassung bzw. Meßwertaufbereitung 71 zu leiten zur Betä­ tigung des Schaltventils 47a über ein Stellglied 72. Ein leckagebe­ dingte Nachfüllen des hydraulischen Systems ist gemäß diesem Schema schneller möglich, da das Öl direkt von der Pumpe 62 zum Schaltventil 47a gelangt, ohne beispielsweise über das Gleitlager 35 geführt zu werden, wie in Fig. 5 gezeigt.

Bezugszeichen

 1 Verstellvorrichtung
 2 Nockenwelle
 3 Zylinderkopf
 4 Preßsitz
 5 Endstück
 6 Innenelement
 7 Nockenwellenrad
 8 Innenring
 9 Mitnehmerelement
10 Abstützfläche
11 Abstützfläche
12 Umfangsfläche
13 Innenring
14 Kolben (A)
14a Stirnfläche von 14
15 Kolben (B)
15a Stirnfläche von 15
16 Aussparung
17 Anschlag (A)
18 Anschlag (B)
19 Gegenanschlag (A)
20 Gegenanschlag (B)
21 Bohrung (A)
22 Bohrung (B)
23 Verbindungsbohrung (A)
24 Verbindungsbohrung (B)
25 Radialer Fortsatz
26 Längsbohrung
27 Querbohrung
28 Verbindungsbohrung
29 Fläche
30 Kolbenring
31 Schraube
32 Stirnfläche
33 Zwischenscheibe
34 Nockenwellenbund
35 Radial-Axial-Gleitlager
36 Gehäusedeckel
37 Dichtung
38 Ringschulter
39 Abschlußdeckel
40 Bohrung
41 Steuerbohrung
42 Steuerventil
43 Umlaufnut
44 Verbindungsbohrung
45 Vordere Stirnfläche
46 Druckraum
47 Schaltventil
48 Ventilfeder
49 Deckel
50 Anschlagbuchse
51 Ventilfeder
52 Rückschlagventil (1.)
53 Rückschlagventil (2.)
54 Zwischenraum
55 Hochdruckraum
56 Umfangsfläche
57 Umlaufnut
58 Umlaufnut
59 Umlaufnut
60 Umlaufnut
61 Umlaufnut
62 Pumpe
63 Kragen
64 Stichbohrung
65 Stichbohrung
66 Kolben-Bohrungseinheit
67 Kolben-Bohrungseinheit
68 Leckageraum
69 Sensoren
70 Sensoren
71 Meßwertaufbereitung
72 Stellglied
73 Verschlußkugel

Claims (21)

1. Vorrichtung für eine stufenlose Winkelverstellung zwischen einem angetriebenen Element, vorzugsweise Nockenwellenrad (7), und einer zu diesem gleichachsigen anzutreibenden Welle, vorzugsweise Nockenwelle (2) einer Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung (1) ein drehfest mit der Nockenwelle (2) verbundenes Innenelement (6) aufweist, in dem Hydraulikzylinder (21, 22) mit darin längsverschieblichen, einseitig druckbeaufschlagbaren Kolben (14, 15) angeordnet sind, während das ringförmige Nockenwellenrad (7) an Abschnitten seines Innenumfangs am Außenumfang des Innenelements (6) geführt ist und Mitnehmerelemente (9) aufweist, und wobei erste und zweite Gruppen von Kolben (14 bzw. 15) jeweils derart mit den Mitnehmerelementen (9) zusammenwirken, daß das Innenelement (6) gemeinsam mit der Nockenwelle (2) in beiden Drehrichtungen gegenüber dem Nockenwellenrad (7) verdrehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (14, 15) auf einem sehnenarti­ gen Verlauf zum ringförmigen Nockenwellenrad (7) angeordnet sind und daß die Mitnehmerelemente (9), ausgehend vom Innenumfang des Nocken­ wellenrades (7) radial nach innen in Ausnehmungen (16) des Innenele­ ments (6) hineinragen und gekrümmt ausgebildete Abstützflächen (10, 11) aufweisen, an denen die Druckräumen gegenüberliegenden Stirnflä­ chen (14a, 15a) der Kolben (14, 15) geführt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ stützflächen (10, 11) einen Krümmungsverlauf aufweisen, dessen Krüm­ mungsmittelpunkt in jeder Stellung der Kolben (14, 15) im Bereich einer zugehörigen Kolbenachse liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Kolben (14, 15) paarweise in einen räumlich von zwei Mitnehmern (9) eingeschlossenen radialen Fortsatz (25) des Innenelements (6), in axialer Richtung der Vorrichtung (1) zueinander versetzt, angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (14, 15), in Draufsicht auf das Innenelement (6) gesehen, in einander kreuzenden Ebenen angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (14, 15) unmittelbar mit ihren Stirnflächen (14a, 15a) gleitend an den Abstützflächen (10, 11) geführt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem von einem Druckmittel beauf­ schlagbaren Stellelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement durch ein Schaltventil (47) mit zumindest einem Rückschlagventil gebildet wird, welches in dem drehfest mit der Nockenwelle verbundenen Innenelement axial verschiebbar ist und zumindest zwei Leitungen auf­ weist, über die eine gegenseitige Druckmittelversorgung zwischen zu­ mindest zwei Kolben-Bohrungseinheiten (66, 67) erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltventil (47) ein 4/3-Wegeventil vorgesehen ist, das von dem Innenelement (6) koaxial umgeben ist, einerseits federkraftbeauf­ schlagt ist und andererseits von einer steuerbaren Kraft beaufschlagt werden kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein federbelasteter Anschlag für eine Zwischenstellung des Schaltven­ tils (47) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Innen­ element (6) eine zentrische Ausnehmung für das Schaltventil (47) aufweist, dem konzentrisch im Innenelement (6) angeordnete Kolben- Bohrungseinheiten (66, 67) zugeordnet sind, wobei das Innenelement (6) einseitig ein Endstück aufweist, das auf der Nockenwelle (2) geführt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (47) einen Druckraum (46) aufweist, an den sich ein Zwischenraum (54) anschließt, und daß ein Hochdruckraum (55) dem Zwischenraum (54) nachgeordnet ist, wobei die Räume jeweils durch ein sich in Richtung des nachfolgenden Raumes öffnendes Rückschlagventil getrennt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Schaltventil (47) Leitungen (64, 65) vorgesehen sind, die eine Ver­ bindung schaffen zwischen zentrisch im Schaltventil (47) angeordneten Druckräumen und Umlaufnuten (57, 58), welche auf einer Umfangsfläche radial in das Schaltventil (47) eingebracht sind und die über Ver­ bindungsbohrungen (23, 24) mit Bohrungen (21, 22) der Kolben-Bohrungs­ einheiten (66, 67) gekoppelt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für das Schaltventil (47) drei definierte Schaltpositionen vorgesehen sind, die sich bei drei Steuerdruckbereichen einstellen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Schaltventil (47) vorgeschaltetes Steuerventil (42) vorgesehen ist, mit dem der Druckmittelfluß zum Schaltventil (47) freigegeben und gesteuert oder unterbrochen werden kann.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmittelkreislauf so ausgelegt ist, daß ein leckagebedingter Ver­ lust ausgeglichen wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Betätigen des Schaltventils (47) ein Druckmittelaustausch von einer Kolben-Bohrungseinheit in die andere Kolben-Bohrungseinheit oder umgekehrt erfolgen kann.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenelement (6) zum umschließenden Bauteil radial verdrehbar und mit Anschlägen (17, 18) versehen ist, die mit Gegenanschlägen (19, 20) eine Verdrehbegrenzung bilden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (14, 15) mit Kolbenringen (30) versehen sind, die ein zu ihren Bohrungen (21, 22) definiertes Spiel aufweisen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (1) einen Geräuschdeckel (36) aufweist, in dem das Innenelement (6) gelagert ist und der weiter als Trägerteil dient.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 und 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckmittelführung durch den Gehäusedeckel (36) über die Lagerung des Kolbenträgers (6) und die Verbindungsbohrungen bzw. Verbindungsleitungen zu den Kolben-Bohrungseinheiten (66, 67) erfolgt.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine am Nockenwellenrad (7) wirkende, mit wechsel­ seitig positiven und negativen Kraftanteilen versehene Umfangskraft Einfluß nimmt auf die Betätigung des Schaltventils (47).

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch betätigtes Schaltventil (47a) eingesetzt ist, das mit Sensoren (69, 70) einer Meßwertaufbereitung (71) sowie einem Stellglied in Verbindung steht.